Wytwarzanie i transport w kwantowych niskowymiarowych nanostrukturach półprzewodnikowych z materiałów II-VI

Abstract

Domieszkowane modulacyjnie studnie kwantowe Cd(Mn)Te badane w ramach niniejszej rozprawy charakteryzują się wysoką ruchliwością dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) oraz bardzo dużym i przestrajalnym czynnikiem Lande’go, co sprawia, że są materiałem stosowanym w budowie półprzewodnikowych nano-urządzeń spintronicznych. Przedmiotem niniejszej rozprawy doktorskiej jest opracowanie metody wytwarzania mikrostruktur ze studni kwantowych Cd(Mn)Te przy użyciu wysokorozdzielczej litografii wiązką elektronową, poprzez zastosowanie specjalnych niskotemperaturowych i nieinwazyjnych technik nano-strukturyzacji, zoptymalizowanych dla materiałów II-VI. W szczególności w pracy opisano metodę wytwarzania tzw. bramek bocznych side-gate i wykorzystanie ich do sterowania kanałem przewodnictwa. Dzięki temu obszar aktywny struktury nie był naświetlany wysokoenergetycznymi elektronami, tak jak w przypadku sterujących bramek metalicznych typu top-gate. Pokazano również, połączenie procedury metalizacji metodą lift-off z płytkim trawieniem chemicznym, w ograniczonej ilości etapów litograficznych wytwarzania nanostruktur. Drugim celem pracy są pomiary magneto-transportu w niskich temperaturach wykonane na kwazibalistycznych mikrostrukturach o geometrii typu H i T. Dla obu struktur przedstawiono wyniki przewodności różniczkowej w słabych polach magnetycznych i niskich temperaturach. Dla struktury typu T zaobserwowano tzw. ogniskowanie magnetyczne, umożliwiające selektywne obsadzenie stanów spinowych w elektrodzie poprzecznej. W przypadku struktury typu H analizowano oscylacje Shubnikovade~Haasa z charakterystycznym wzorem zdudnień, którego węzły są przesunięte przy zmianie napięcia źródło-dren V_SD. Główny wynik pracy uzyskano dla struktury typu H, dla której przeprowadzono szczegółową analizę transportu kwantowego w szerokim zakresie pól magnetycznych. Wyniki pokazują, że dla wyższych pól (B> 3T) obserwowano bardzo nietypowy (wysoki i wąski) pik magneto-przewodnictwa, związany z przejściem do stanu kwantowego ferromagnetyka Halla (QHFM), który występuje na krawędziach próbki. Pokazano, że oddzielone prądy krawędziowe, które płyną równolegle, mogą przecinać się w pewnych punktach, powodując powstawanie defektów topologicznych lub jedno-wymiarowych domen magnetycznych. Ponadto, takie lokalne krzyżowanie kanałów chiralnych może być indukowane na żądanie, np. poprzez przyłożenie stałego napięcia źródło-dren V_SD.

Modulation doped Cd(Mn)Te structures studied in this dissertation combine the high mobility of two dimensional electron gas (2DEG) with the extremely large and tunable Lande g-factor, which makes such a quantum wells the material of choice for the construction of semiconductor spintronic nanodevices. This doctor thesis focuses on the fabrication of micro-structures from Cd(Mn)Te QW with the application of high-resolution electron-beam lithography, by developing the special lowtemperature and non-invasive nano-patterning techniques, optimized for II-VI materials. In particular, the work describes the method of producing side-gate to control the conduction channel. As a results, the active area of the structure was not illuminated with high-energy electrons, as in the case of metallic topgate. We demonstrate also, how to combine the shallow etching of separating grooves with a lift-off metallization procedure, into a single post-processing stage. The second aim of this work is study low-temperature magneto-transport measurements performed on quasi-ballistic microstructures defined lithographically formed as a H- and T- shaped device. For both structures, the results of differential conductivity in low magnetic fields and low temperatures were presented. For T- structure we have observed, socalled magnetic focusing, making it possible to selectively filling of spin states in the transverse electrode. For the H-structure, we analyzed the Shubnikov-de~Haas oscillations with the characteristic beating pattern and we shown, that nodes of such pattern are shifted, when we change source- drain voltage V_SD. The main result was obtained for the H-type structure, for a detailed analysis of quantum transport in a wide range of magnetic fields. At stronger fields (B>3T), we have observed the very untypical (high and narrow) magnetoconductance peak related to the transition to quantum Hall ferromagnet (QHFM) state, occurring at the edges of the sample. We indicate, that separated edge currents which flow in parallel, may nevertheless cross at certain points, giving rise to the formation of topological defects or one-dimensional magnetic domains. Furthermore, we find that such local crossing of chiral channels can be induced on demand, for example by applying a DC source-drain voltage.